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第七章原子熒光光譜法§1概述§2原子熒光光譜法的基本原理§3儀器裝置§4原子熒光分析中的干擾和消除§5原子熒光分析方法§6原子熒光光譜法的應用
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1概述原子熒光光譜法(atomicfluorescencespectrometry,AFS)是基于待測物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣吸收激發(fā)光源發(fā)出的特征波長的輻射而被激發(fā),由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能態(tài)時所發(fā)射的熒光強度進行分析的方法。1964年Winefordner等創(chuàng)建了原子熒光光譜分析技術(shù)以來,這種方法才得到實際應用。氫化物發(fā)生原子熒光光譜(hydridegenerationatomicfluorescencespectrometry,HGAFS)分析技術(shù)原子熒光光譜與原子熒光分析分析物質(zhì)的基態(tài)原子蒸氣,吸收激發(fā)光源發(fā)出的一定波長的輻射后,原子的外層電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài),由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)或較低能態(tài),同時發(fā)射出與激發(fā)光波長相同或不同的光(釋放能量),稱為原子熒光。原子熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象。各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同導致發(fā)射的熒光波長不同,故每種元素都有特征原子熒光光譜。在一定條件下原子熒光的強度與該元素的原子蒸氣濃度成正比,通過測量熒光強度即可求得待測元素的含量。原子熒光光譜法優(yōu)點:⒈有較低的檢出限,靈敏度高。特別是Cd可達0.001ng/mL、Zn為0.04ng/mL。現(xiàn)已有20多種元素低于原子吸收光譜法的檢出限。由于原子熒光的輻射強度與激發(fā)光源成比例,采用新的高強度光源可進一步降低其檢出限。⒉干擾較少,譜線比較簡單,采用一些裝置,可以制成非色散原子熒光分析儀。這種儀器結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜。⒊校準曲線線性范圍寬,可達3~5個數(shù)量級。⒋由于原子熒光是向空間各個方向發(fā)射的,因而能實現(xiàn)多元素同時測定。原子熒光光譜法的不足之處:1.適用分析的元素范圍有限,有些元素的靈敏度低、線性范圍窄;2.原子熒光轉(zhuǎn)換效率低,因而熒光強度較弱,給信號的接收和檢測帶來一定困難。3.散射光對原子熒光分析影響較大,但采用共振熒光線作分析線,可有效降低散射光的影響?!?、原子熒光光譜法的基本原理一、原子熒光的類型根據(jù)激發(fā)能源的性質(zhì)和熒光產(chǎn)生的機理和頻率,可將原子熒光分成:共振熒光非共振熒光敏化熒光共振熒光當原子吸收的激發(fā)光與發(fā)射的熒光波長相同時,所產(chǎn)生的熒光叫做共振熒光(resonancefluorescence)。由于相應于原子激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間共振躍遷幾率比其它躍遷幾率大得多,共振躍遷產(chǎn)生的譜線強度最大,所以共振線是元素最靈敏的分析線。原子蒸氣中的某些原子,由于吸收熱能被激發(fā)而處于稍高于基態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)能級時,則共振熒光可以從亞穩(wěn)態(tài)能級產(chǎn)生,即處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子,通過吸收激發(fā)光源的某一非共振線后進一步激發(fā)到較高能級,然后再返回亞穩(wěn)態(tài),發(fā)射出相同波長的熒光,這種熒光稱為熱助共振熒光(thermallyassistedfiuorescence)。非共振熒光(nonresonancefluorescence)當原子吸收的激發(fā)光和發(fā)射的熒光波長不同時,所產(chǎn)生的熒光叫做非共振熒光,包括斯托克斯熒光和反斯托克斯熒光兩類。斯托克斯熒光(Stokesfluorescence)當發(fā)射的熒光波長比激發(fā)光的波長更長時稱作斯托克斯熒光。根據(jù)發(fā)射熒光的機理不同,又可分為直躍線熒光(direct-linefluorescence和階躍線熒光(stepwise-linefluorescenc)直躍線熒光
原子吸收光能被激發(fā)到高能態(tài)后,再由高能態(tài)返回至比基態(tài)能級稍高的亞穩(wěn)態(tài)時,所發(fā)出的熒光稱為直躍線熒光。其特點是熒光線和激發(fā)線起止于共同的高能級,但熒光波長比激發(fā)光波長要長一些。例如基態(tài)Pb吸收283.31nm輻射后,發(fā)射出405.78nm直躍線熒光。還有通過熱助起源于亞穩(wěn)態(tài)的直躍線熒光,這種熒光叫熱助直躍線熒光,它產(chǎn)生于基態(tài)是多重結(jié)構(gòu)的原子。階躍線熒光原子吸收光能激發(fā)到高能態(tài),回到基態(tài)時分兩步去活化,首先由于非彈性碰撞損失部分能量,產(chǎn)生無輻射躍遷到一較低激發(fā)態(tài),然后再躍遷到基態(tài)而發(fā)射熒光,稱為階躍線熒光,如Na吸收330.3nm幅射后,發(fā)射588.99nm的階躍線熒光。通過熱助使激發(fā)態(tài)原子進一步激發(fā)到更高的能級上,然后躍遷到第一激發(fā)態(tài)發(fā)射的熒光,叫熱助階躍線熒光。反斯托克熒光激發(fā)光的能量不足時,通常由原子化器提供熱能補充,基態(tài)原子蒸氣受熱激發(fā)處于激發(fā)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài),再吸收激發(fā)光的能量而躍遷至更高能級的激發(fā)態(tài),隨后直接返回基態(tài),并發(fā)射出熒光,也可稱為“熱助熒光”。熒光波長比激發(fā)光波長短。如銦原子吸收熱能后處于一個較低態(tài)能級,在該能級上銦原子吸收451.18nm的輻射而被進一步激發(fā),當其躍遷回基態(tài)時發(fā)射410.18nm的熒光。敏化熒光(sensitizedfluorescence)待測原子M(接受體)不是直接吸收光被激發(fā),而是通過碰撞吸收已被光源激發(fā)的另一個原子A(給予體)去活化而釋放的能量而激發(fā),處于激發(fā)態(tài)的待測原子通過輻射去活化而發(fā)射出熒光。其過程可表示如下:A+hν
A*A*+MA+M*M*M+hν
二、原子熒光光譜定量分析的依據(jù)若一束強度為Io的平行光投射到原子蒸氣時,若原子蒸氣中被測元素的濃度為N,忽略自吸收,則產(chǎn)生的原子熒光強度IF為
式中為原子熒光效率,等于原子發(fā)射熒光的光量子數(shù)與吸收激發(fā)光的光量子數(shù)之比;Ia是吸收光的強度。根據(jù)朗伯-比爾定律,當待測元素的濃度N很低時
式中Kυ為吸收系數(shù),L為吸收光程。當實驗條件一定時,由于原子蒸氣中被測元素的濃度與試樣溶液中該元素的濃度成正比,即N=ac,因此
在固定實驗條件下,上式可簡化為
原子熒光強度與試樣中被測元素濃度成線性關(guān)系,原子熒光定量分析的基本關(guān)系式,此式適用于低濃度的原子熒光分析,隨著原子濃度的增加,由于譜線變寬、自吸收、散射等因素的影響,將使工作曲線彎曲偏離線性。三、飽和熒光﹝saturatedfluorescence﹞可以使用增加激發(fā)光強度來提高原子熒光強度,以降低檢測限。上述關(guān)系只是在一定的激發(fā)光源強度范圍內(nèi)適用,當激發(fā)光強度足夠大并達到一定值后,共振熒光的低能級和高能級之間躍遷原子數(shù)達到動態(tài)平衡,這時,分布在激發(fā)態(tài)和基態(tài)的原子數(shù)的比值,僅與相應能級的統(tǒng)計權(quán)重比值有關(guān),不再隨激發(fā)光強度增大而增加,對激發(fā)光的吸收達到飽和進而出現(xiàn)原子熒光的飽和狀態(tài)。應用飽和熒光分析,可以達到極低的檢測限,且熒光強度不受光源強度波動的影響。四、熒光猝滅(quenchingoffluorescence)激發(fā)態(tài)原子在去活化過程中,存在著兩種可能:一是躍遷回到基態(tài)或其它較低的能級產(chǎn)生熒光;二是與原子化器中其它原子、分子、電子等由于非彈性碰撞失去能量,或其它無輻射去活化現(xiàn)象。在這種情況下,熒光將減弱或完全不發(fā)生,這種由于條件變化使待測原子熒光效率降低現(xiàn)象稱為熒光猝滅。為了衡量熒光猝滅的程度,提出了熒光量子效率的概念,即原子發(fā)射的熒光光量子數(shù)與吸收激發(fā)光光量子數(shù)之比受光激發(fā)的原子,可能發(fā)射共振熒光,也可能發(fā)射非共振熒光,還可能無輻射躍遷至低能級,所以量子效率一般都小于1。受激原子和其他粒子碰撞,把一部分能量變成熱運動與其他形式的能量,因而發(fā)生無輻射的去激發(fā)過程,這種現(xiàn)象稱為熒光猝滅。熒光的猝滅會使熒光的量子效率降低,熒光強度減弱。許多元素在烴類火焰中要比用氬稀釋的氫—氧火焰中熒光猝滅大得多,因此原子熒光光譜法,盡量不用烴類火焰,而用氬稀釋的氫—氧火焰代替?!?、儀器裝置原子熒光光譜儀分類:根據(jù)有無色散系統(tǒng),可分為色散型原子熒光光譜儀和非色散型原子熒光光譜儀;根據(jù)波道數(shù)又可分為單道原子熒光光譜儀和多道原子熒光光譜儀,前者適用于單元素分析,后者可作多元素分析。一、原子熒光光譜儀的基本結(jié)構(gòu)原子熒光光譜儀由激發(fā)光源、原子化器、分光系統(tǒng)、檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。激發(fā)光源高強度空心陰極燈(HCL)高強度空心陰極燈是在普通空心陰極燈中加了一對輔助電極,輻射強度比普通空心陰極燈強幾倍到十幾倍,穩(wěn)定性好,不足之處是燈的壽命較短,適于制作的元素有限。2.無極放電燈(electrodeless-discharge-lampEDL)由于這種燈沒有電極,必須將放電管放在諧振腔中用微波來激發(fā)。在石英管中,放入少量被測元素的鹵化物,并充入惰性氣體,制成放電管。將放電管置于微波發(fā)生器的同步空腔諧振器中,微波將管內(nèi)的惰性氣體原子激發(fā),放電管內(nèi)溫度升高,使金屬鹵化物蒸發(fā)和解離,待測元素原子與被激發(fā)載氣原子發(fā)生碰撞后被激發(fā),發(fā)射出待測元素的特征光譜輻射。無極放電燈的輻射強度高出高強度空心陰級燈約10倍,光譜純度好,信噪比高,壽命長,特別適用于共振線在紫外光區(qū)的易揮發(fā)元素的測定。目前已制成As、Bi、Cd、Cs、Se、Pb、Ni等幾十種元素的無極放電燈。3.激光光源
原子熒光分析所用分析線的波長范圍非常寬,激光光源是原子熒光分析的極佳光源,除強度高、光譜純度好外,波長可以調(diào)節(jié)。目前激光光源多用可調(diào)波長的染料激光,如脈沖染料調(diào)諧激光器,配合倍頻,可在180~800nm波段范圍提供極強輻射的激發(fā)源,而且光譜帶寬也可以調(diào)節(jié),但價格昂貴、操作煩瑣。激光光源還有一個重要的優(yōu)越性是飽和熒光的利用,此時熒光的自吸明顯減少,而使方法的線性范圍增寬,并且減少光源波動對熒光信號的影響,提高分析精密度。4.連續(xù)光源
連續(xù)光源具有很高的輻射強度和穩(wěn)定性,是原子熒光分析理想通用的光源,可滿足多元素同時分析的需要。目前常用的連續(xù)光源是高壓氙燈,氙燈適用于波長大于250nm的波長段,不能在全波段滿足強度要求,目前還沒有在全波長范圍內(nèi)、提供足夠強度以滿足原子熒光需要的連續(xù)光源。5.等離子體光源用于原子熒光分析的等離子體光源主要是電感耦合等離子體(inductivelycoupledplasmaICP)光源。ICP光源的特點是激發(fā)能量高、穩(wěn)定性好、化學和電離干擾少,此外ICP輻射源可供選擇的譜線豐富,適用于多元素分析,是一種很好的激發(fā)光源。原子化器原子熒光對原子化器的要求:火焰原子化器
原子熒光分析中火焰截面呈圓形或方形,以提高輻射的強度和穩(wěn)定性。原子熒光分析中常用氫火焰,如Ar-H2,N2-H2等,背景發(fā)射低,紫外區(qū)透明度高,猝滅物少,熒光效率高,但火焰溫度不高,主要用于砷、硒、鋅、鈉等元素的分析;空氣-乙炔、氧化亞氮-乙炔火焰溫度高,可用于難原子化的元素分析,但背景信號和噪音增加,影響原子熒光法的檢測限。火焰燃燒時產(chǎn)生大量的氣體分子,將引起原子熒光猝滅和分子熒光的發(fā)生,導致原子熒光強度降低和干擾信號加大,火焰成分的猝滅特性順序為Ar<H2<H2O<N2<CO<O2<CO2?;鹧嬖踊鞑僮骱啽?、價格低廉、穩(wěn)定性好,在原子熒光分析中被廣泛采用,但由于火焰背景和熱輻射信號在400nm光譜區(qū)很強,火焰原子化器只適用于分析共振線波長小于400nm的元素,特別適于共振線小于270nm、在火焰中易于原子化的元素,如砷、鉍、鎘、汞、硒、鋅等2.電熱原子化器電熱原子化器包括石墨爐、石墨杯等原子化裝置,其特點與原子吸收分析相似,如取樣少,原子化效率高,檢出限很低,背景輻射和熱輻射弱,猝滅效應也小,不足之處是基體干擾和背景吸收較大,精密度不如火焰原子化器。3.電感耦合等離子體(ICP)原子化器ICP作為原子化器的優(yōu)點是溫度高、穩(wěn)定性好、化學干擾和光?射小,是一種高效的原子化器。適合于復雜試樣的多元素分析,尤其是對難熔元素的原子化更為有利。4.氫化物發(fā)生原子化器氫化物發(fā)生原子化法基本原理是在強還原劑作用下被測元素被還原為揮發(fā)性共價氫化物,然后借助載氣導入氬氫焰原子化成為自由原子。氫化物發(fā)生原子化器由氫化物發(fā)生器和電加熱石英管組成。近年來這種方法得到了較快的發(fā)展,是一種具有重要實用價值的分析技術(shù),對于易生成氫化物的元素如As、Se、Sb、Te、Sn、Bi、Pb等元素的測定更能體現(xiàn)出原子熒光法的特點和優(yōu)越性。分光系統(tǒng)由于只有吸收激發(fā)光之后,才產(chǎn)生熒光,因此原子熒光的譜線僅限于那些強度較大的共振線,其譜線數(shù)目比原子吸收線更少,原子熒光光譜比較簡單,但光強度較弱,因此,對單色器分辬率的要求不高,單色器設計上重點是提高集光效果,增大原子熒光輻射強度,以獲得較大的信噪比,一般通過縮短單色器焦距,增大色散元件的通光孔徑來提高集光能力。根據(jù)有無色散系統(tǒng)將分光系統(tǒng)分為色散型和非色散型兩類。光電源色散型分光系統(tǒng)用光柵分光,檢測器用光電倍增管,具有可選擇的譜線多、波段范圍廣、光譜干擾和雜散光少等特點,適于多元素的測定。非色散型分光系統(tǒng)沒有光柵單色器,通過濾光片和日盲光電倍增管配合組裝而成。這種分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、光譜通帶寬、熒光信號強,能得到較低檢測限;但光譜干擾大,散射光的影響也較大,對光譜的純度要求高。檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原子熒光光譜儀的檢測系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換和放大讀數(shù)兩部分組成,檢測器是以光電倍增管為主,無色散型光譜儀必須采用日盲光電倍增管,光電轉(zhuǎn)換所得信號經(jīng)放大后顯示。目前的原子熒光光譜儀多與計算機聯(lián)用,由計算機記錄、處理熒光強度等數(shù)據(jù),使得檢測更加便捷。二、多道原子熒光光譜儀多道原子熒光分析儀分為色散型和非色散型兩類。共同特點:可同時測定多種元素,自動化程度高,分析速度快。非色散多道原子熒光光譜儀設備簡單,照明立體角大,光譜通帶寬,熒光信號強,不存在波長漂移現(xiàn)象,檢測限較低,但受到光電倍增管的限制,同時測定的元素數(shù)目較少,且受散射光影響較大。色散型多道原子熒光光譜儀波長范圍較寬,雜散光較少,光譜干擾少,信噪比高,但有波長漂移現(xiàn)象,儀器成本高,操作也比較繁雜。原子熒光法同時分析多種元素的儀器示意圖§4、原子熒光分析中的干擾和消除干擾類型:光譜干擾原子熒光的猝滅化學干擾物理干擾
一、光譜干擾光譜干擾是由于分析的熒光信號與進入檢測器的其它輻射不能完全分開而產(chǎn)生。如干擾元素與待測元素的熒光譜線重疊、火焰的熱輻射及散射光的干擾,前兩類干擾可用消除干擾和扣除方法解決。散射光的干擾對原子熒光分析的影響顯著,且不能用上述方法解決。散射光由原子化器中未揮發(fā)的氣溶膠顆粒產(chǎn)生,與單位體積內(nèi)未揮發(fā)顆粒的大小和數(shù)量有關(guān)。要減少散射光干擾,應減少散射微粒,如使用預混合火焰、增加火焰觀測高度和火焰溫度,或使用高揮發(fā)性溶劑等從而增加氣溶膠微粒的揮發(fā)性減少散射微粒;盡可能選擇靈敏度高、干擾小的直躍線熒光或階躍線熒光進行測定,可濾掉光源發(fā)射的與待測熒光波長相同的譜線,但其局限性是許多元素缺少這種具有足夠強度的熒光線。散射光干擾嚴重時,可用空白溶液予以校正,或測量分析線附近合適非熒光線的散射光來校正。二、原子熒光的猝滅原子熒光的猝滅作用,降低熒光量子效率,導致熒光強度顯著降低?;鹧嬷性S多氣體分子如CO2、N2、H2O、CO等都是猝滅劑,這些分子的振動能級接近待測元素(激發(fā)態(tài))的能級,激發(fā)態(tài)原子與這些分子碰撞時,可將它的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到這些分子振動能級中去,導致熒光猝滅。減少火焰中猝滅劑濃度,可使熒光猝滅很快減小。惰性氣體原子或分子具有原子熒光保護作用,可減少熒光猝滅,如氬氣。三、化學干擾原子熒光分析的化學干擾是由待測元素與試樣中共存元素或火焰成分發(fā)生化學反應,生成穩(wěn)定難揮發(fā)、難離解的化合物,使待測元素的原子化效率降低而引起的。消除化學干擾的方法:通常采用加入釋放劑(如鑭鹽或鍶鹽)或保護劑(如EDTA)等辦法加以消除,必要時需采用分離的辦法以除去干擾物的影響。四、物理干擾物理干擾是由于試樣溶液的粘度、表面張力、溶劑的蒸氣壓等物理性質(zhì)與標準溶液不一致,引起溶液的霧化、溶劑蒸發(fā)或溶質(zhì)揮發(fā)過程發(fā)生變化,導致溶液的提升率、霧化效率、分解速度及原子化效率等發(fā)生變化而造成的干擾。在實際分析工作中,應盡量使標準溶液與試樣基體溶液濃度和組成一致,以消除這類干擾?!?、原子熒光分析方法一、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te等元素的共振線大都在紫外光區(qū)間,常規(guī)原子光譜分析方法測定這些元素,靈敏度低、背景干擾大、信噪比差。但這些元素的氫化物具有揮發(fā)性,常溫下為氣態(tài),可借助于載氣將其導入原子熒光光譜儀中,用氫化物發(fā)生原子熒光分析進行測定,這種方法靈敏度高、干擾小、簡便易行。氫化物發(fā)生法原理在強還原劑作用下,被測元素還原生成揮發(fā)性共價氫化物,然后在控制條件下分解成氣態(tài)原子,實施原子熒光分析。氫化物發(fā)生反應多采用硼氫化鈉做還原劑,根據(jù)其反應介質(zhì)不同可分硼氫化鈉-酸還原體系、堿性模式還原及非水介質(zhì)氫化物發(fā)生等,其中硼氫化鈉-酸體系應用最廣泛,其反應如下:NaBH4+3H2O+HCl→H3BO3+NaCl+8H·
Em+EHn↑+H2↑上述反應式中,E是被測元素,H·是氫自由基;EHn是生成的氫化物;m可以等于或不等于n。該反應具有反應迅速、氫化物生成效率高、適應范圍廣等特點。氫化物發(fā)生原子熒光光譜法的原樣品、還原劑及氬氣Ar進入反應器,化學反應產(chǎn)生氫化物和氫氣,經(jīng)氣液分離器分離,去水后的氫化物和氫氣由氬氣導入原子熒光光譜儀的原子化器,燃燒產(chǎn)生氬-氫焰使待測元素原子化并進行測定。氫化物發(fā)生原子熒光分析的條件選擇樣品預處理氫化物發(fā)生原子熒光法主要用于As、Sb、Bi等11種元素分析,一般用HCl處理樣品,但應注意相應元素氯化物的揮發(fā)性,同時由于方法靈敏度高,要注意扣除試劑空白。為了消除基體或其它元素干擾,可以采用萃取、共沉淀、巰基棉富集等方法分離富集。2.反應介質(zhì)選擇
反應酸度的選擇影響分析靈敏度和元素的不同價態(tài)分析。以硼氫化鈉為還原劑的體系,用酸性樣品溶液與硼氫化鈉作用生成氫化物,即硼氫化鈉-酸體系;采用堿性模式(在堿性溶液中發(fā)生氫化物)可以消除或減少共存元素的干擾,提高氫化反應的選擇性;非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法可將待測元素萃取分離后,直接在有機相中測定。如用溶劑萃取-非水介質(zhì)氫化物發(fā)生法測定飲用水中痕量As,在NaBH4乙醇溶液-APDC-MIBK有機相中發(fā)生氫化物,然后進行原子熒光測定,檢測限為2.810-9g。3.干擾及消除
液相干擾發(fā)生在氫化物形成或形成的氫化物從樣品溶液中逸出的過程,主要是Cu、Co、Ni、Fe等元素易生成沉淀,吸附氫化物,可形成氫化物元素之間的競爭反應產(chǎn)生干擾,一般采用絡合劑或基體改進劑來減少這種干擾。氣相干擾主要發(fā)生在氫化物的傳輸過程或在原子化器中,將影響原子熒光的產(chǎn)率和猝滅,控制原子化器的蒸氣成分可減少這種干擾。4.線性范圍(工作曲線)原子熒光分析是一種痕量分析方法,其工作曲線的線性范圍一般在0.0014~1.0ng/ml濃度區(qū)間,過高的分析濃度將嚴重影響到工作曲線的線性。氫化物發(fā)生原子熒光分析的特點分析元素與基體分離,光譜和化學干擾少。靈敏度高,與溶液直接噴霧進樣相比,氫化物法能將待測元素充分預富集,進樣效率高??煽刂茥l件,用于價態(tài)分析,宜于實現(xiàn)自動化。主要適用于As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、Se、Te、Hg、Zn、Cd等元素分析。二、激光誘導原子熒光光譜法(laserinducedatomicfluorescencespectrometry,LIAFS)激光強度高、單色性好、方向集中,其中可調(diào)諧染料激光器為激發(fā)光源應用比較廣泛。LIAFS法用于痕量和超痕量元素分析靈敏度高、檢測限低、準確度和精密度較好,樣品用量也少。許多元素的LIAFS分析檢測限為ng/ml級,有些元素甚至達pg/ml級。將激光飽和激發(fā)和非共振熒光
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